올해 처음으로 이더넷이 양산 차량의 시스템 네트워크로 사용될 전망이다. 따라서 다음 단계는 이더넷을 CAN, FlexRay, LIN 및 MOST와 같이 이미 구축된 자동차 기술과 통합하는 것이다. 이미 이기종 네트워크를 분석하기 위한 기능성 개발 툴은 존재한다. 그러나 이더넷의 경우 사무용 통신을 위한 표준 툴만 존재할 뿐 자동차의 특수 물리 계층 및 IP 프로토콜을 지원할 수 있는 툴이 준비돼 있지 않다. 따라서 이더넷 네트워크와 함께 기존 버스 시스템을 분석하고 테스트하는 데 사용할 개발 및 테스트 툴이 필요하다. 벡터가 이더넷과 기존 버스 시스템 분석 테스트 툴의 조건을 말한다.



이미 첨단 기술인 비차폐 꼬임 쌍선(UTP: Unshielded Twisted Pair) 커넥션을 통해 경제적으로 차량 내 카메라 영상을 100 MBit/s의 속도로 전송하는 것이 가능해졌다. 이 기술은 BroadR-Reach로 알려진 기술로 OPEN Alliance SIG 컨소시엄[1]에 의해 표준화돼 있다. 다음 목표는 이더넷을 2015년까지 인포테인먼트 및 운전자 지원 시스템용 네트워크로 활용하는 것이다. 일부 OEM은 이더넷이 2018년부터 백본이 될 것으로 예측한다[2]. 다수의 전문 논설[3,4]에 기술된 바와 같이, 이더넷은 특히 인터넷 프로토콜과 결합해 자동차 사용에 유연성, 확장성 및 비용 절감의 효과를 제공한다(그림 1[1]). 더욱이 이러한 IT 기술을 활용한 방법은 자동차 개발 과정을 더욱 풍요롭게 할 것이다.

자동차 이더넷 테스트 솔루션의 과제
자동차 이더넷 사용 시 개발자 및 테스트 엔지니어는 두 가지 문제에 대해 다시 생각해보아야 한다. 첫 번째 문제는 분명한 도메인 아키텍처(그림 2)를 구축해야 하는 것이다. 이 아키텍처에서, 백본은 버스 시스템이 아니라 다중 전 양방 연결을 한 교환망으로 구현된다. 실시간 주요 애플리케이션을 실행하기 위해 이더넷을 사용하려면 동기화 기술이 물리 계층(OSI 계층 1)보다 더 높은 프로토콜 계층에서 요구된다[예: AVB(오디오 비디오 브릿징, 그림 1)]. 또한, 분석 요건도 새로운 아키텍처에 맞춰 계속 증가하고 있다. 예를 들어, 만약 개발자가 백본 상의 모든 데이터 트래픽을 동시에 분석하려고 하면, 접근이 모든 경로 브랜치 상에서 반드시 동기화돼야 한다(그림 2의 경로 a, b, c, d).
두 번째 문제는 개발자가 엄청난 양의 데이터를 처리하려면 새롭고 적절한 필터 전략을 반드시 활용해야 한다는 것이다. 이러한 상황은 초당 기가비트 범위의 전송 속도를 원하는 OEM들에 의해 더욱 심화될 전망이다. 이미 이를 위한 물리 계층인 RTPGE(Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet)가 개발 단계에 있다.

인터페이스가 시스템 성능에 미치는 영향 최소화
버스 시스템과 달리, 특별한 측정 시 시스템에 영향을 미치지 않아야 한다. 한편, 개발자는 시스템 설계 초기에 테스트 능력을 반드시 고려해야 한다(설계에서부터 테스트까지). 또한, 툴 생산자는 인터페이스의 영향을 반드시 최소화해야 한다. 다음은 분석 및 테스트용 각종 측정 장치에 대해 다룬다; 이러한 장치 사용 시 발생할 수 있는 바람직하지 않은 결과는 물론 이러한 결과를 최소화할 방법이 함께 제시돼 있다.

기존 측정 장치의 한계
이더넷 네트워크를 분석하는 일반적인 방법은, 시스템 내 구현된 스위치에 추가 포트(모니터 포트)를 사용하는 것이다(미러링). 스위치로부터 수신된 모든 패킷은 이러한 모니터 포트에서 전송된다. 이때 모니터 포트는 수신된 데이터 패킷에 접근할 수 있게 하지만, 이러한 데이터 패킷은 공통 시간을 참고하지 않기 때문에, 타임스탬프를 가지고 있지 않다. 더구나, 보통 유효 패킷만 모니터 포트로 전송돼 에러를 분석하기도 어렵다. 게다가, 비용 때문에 생산 시스템 내 미러링을 위한 스위치에는 추가 모니터 포트가 제공되지 않는다[4].
만약 주어진 스위치에 어떤 추가 포트도 사용할 수 없는 경우, 기존 연결부에 스위치를 추가할 수 있다. 그러나 이러한 추가 홉은 투명하지 않으며, 이것은 전체 전송 경로에 걸쳐 지연을 초래한다.
AVB 프로토콜에 의해 동기화되는 네트워크에서는, 상황에 따라 이러한 동적인 지연이 시간 동기화를 방해할 수 있다. 이러한 측정 장치의 경우, IT 분야에 공통으로 사용되는 툴 및 스위치를 활용하는 것이 가능하다. 그러나 자동차 업계에서 일반적으로 사용되는 BroadR-Reach 네트워크에서는, 표준 이더넷(IEEE 802.3)으로의 미디어 변환이 필요하다. 더구나, 자동차 네트워크 개발의 관점에서, 이러한 툴은 보통 배타적인 해결책이며, 아직 중요 공통 버스 시스템에 대한 어떠한 기준도 가지고 있지 않다.



투명한 이더넷 분석
스위치를 인터페이스로 사용하는 방법 대신 가능한 한 가장 투명하게 네트워크를 감시하는 것이 바람직하다. 여기서 중요한 것은 증가한 대기시간 또는 불완전한 패킷의 필터링 때문에 시스템이 영향 받지 않도록 하는 것이다. 이것은 물리 계층(그림 4의 경로 1)에서 데이터를 수동으로 획득 및 라우팅하는 소위 TAP(테스트 접근점)(그림 3)에 의해 이뤄진다. 이 과정에서, 대기 시간은 매우 짧을 뿐만 아니라 일정해, 특히 AVB 시스템 분석에서 이롭다. 투명한 모니터링의 또 다른 방법은 AVB 시간 동기화를 지원하는 스위치를 사용하는 것이다. AVB 프로토콜이 패킷이 라우팅 될 때 발생하는 대기시간을 상쇄해준다.
어느 방법을 선택하든지, 패킷 데이터를 정확히 분석하려면 가능한 한 물리적 계층 가까이에서 획득된 정확한 타임스탬프가 필요하다. 또한, 네트워크 분석은 보통 1개 이상의 이더넷 경로에 집중하므로 설정된 타임스탬프는 다른 인터페이스와 반드시 동기화돼야 한다(그림 2).
비활성 인터페이스의 경우, 투명한 작동도 중요하다. 예를 들어, 만약 인터페이스 하드웨어가 테스트 드라이브용 차량 내에 설치돼 있다면, 그 인터페이스는 측정 애플리케이션이 비활성이어도 사전 설정된 독립형 모드를 반드시 자체적으로 가정해야 한다. 그렇지 않은 경우, 일부 이더넷 경로가 운전 중에 방해를 받을 수 있다.



시뮬레이션을 갖춘 TAP
순수 데이터 분석과 함께, 의도적으로 어떤 패킷을 전송하게 해 네트워크를 자주 테스트해야 한다. 여기서도 순수 모니터링에서와 같이 어떤 두 노드 간 연결에 미치는 영향은 최소화해야 한다. 그러나, 이러한 보충 패킷은 물리적 계층 상에서 전송될 수 없는데, 요구되는 추가적인 흐름 제어가 계층 2까지 불가능하기 때문이다. 여기서도 역시, 동적 대기시간이 발생하는데, 이것은 인터페이스에 있는 프로토콜 지원(예: AVB 프로토콜)에 의해 바로 상쇄될 수 있다.
한 가지 방법은 두 노드 사이에 정상적인 통신이 이뤄지는 동안 테스트를 위해 불량 데이터를 추가로 전송하는 것이다(그림 4의 경로 3). 이 데이터는 Vector CANoe. IP와 같은 테스트 애플리케이션에 의해 직접 공급되거나 정의된 버스 부하를 인터페이스에 바로 발생시키는 패킷 발생기에 의해 공급된다(그림 4의 경로 2).

통신 버스 시뮬레이션
특히 개별 ECU를 개발할 때, 통신 버스 시뮬레이션[6]은 ECU가 실제 네트워크 내에 통합되기 전에 어떤 유형의 시나리오를 테스트하는 방법이다. 테스트를 위한 필요 요건은 다음과 같다. 첫째, 제한되지 않은 고성능 네트워크 접근을 허용하는 하드웨어가 필요하다. 둘째, 애플리케이션은 기록되거나 자체 발생한 데이터를 하드웨어로 반드시 전송할 수 있어야 한다(그림 4의 경로 4). 셋째, 하드웨어와 소프트웨어의 결합은 반드시 패킷을 수신하고, 패킷을 손상시킨 후 손상된 패킷을 전송할 수 있어야 한다. 이를 통해 프로토콜 에러와 같은 특정 에러에 대한 ECU의 반응을 테스트할 수 있다.

유연한 인터페이스/소프트웨어 조합의 주요 특성
위에서 설명된 측정 장치는 이더넷 네트워크의 분석이 하드웨어 및 소프트웨어에 어떠한 사항을 요구하는지 보여준다. 측정 장치에 따라 인터페이스를 변경하지 않으려면, 인터페이스를 TAP, 컨버터 또는 추가적인 기능을 갖춘 스위치로 유연하게 사용할 수 있어야 한다. 다음은 그 인터페이스의 바람직한 특성을 나타낸다:

- 가장 간단한 사례로 인터페이스를 TAP으로 사용할 때, 그 TAP 자체는 정확히 명시 가능한 대기시간을 최소한으로 발생시켜야 한다.
- 인터페이스는 BroadR-Reach, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet 및 향후 RTPGE와 같은 모든 공통으로 사용되는 매체들 사이에서 반드시 변환 가능해야 한다. 이를 통해 지금까지 필요했던 외부 미디어 컨버터를 사용할 필요가 없어진다.
- 시험 운전의 경우, 차량 내에 인터페이스를 설치하는 것이 반드시 가능해야 하며, 인터페이스가 사용되고 있지 않은 동안 네트워크(독립형 모드)를 방해하지 않아야 한다.
- 패킷 발생기는 소프트웨어 또는 하드웨어 수준에서 중요한데, 분석과 함께 자동차 개발 과정 역시 제어된 시뮬레이션을 요구하기 때문이다.
- 시뮬레이션 소프트웨어와 함께 하드웨어 인터페이스는 하나 또는 여러 개의 가상 네트워크 노드에 실질적인 매체 접근을 반드시 허용해야 한다(통신 버스 시뮬레이션).
- 모든 OSI 계층 및 프로토콜 수준의 데이터를 분석 및 조작하기 위한 분석 및 시뮬레이션 툴이 반드시 사용 가능해야 한다.
- 이기종 네트워크를 지원하려면, 공통된 버스 시스템을 모두 가진 인터페이스를 반드시 동기화할 수 있어야 한다.

외부 미디어 컨버터와 오피스 통신 분야의 고성능 분석 툴을 함께 사용하는 것은 매우 간단해졌다. 그러나 언급된 요건은 오직 분석 및 시뮬레이션 소프트웨어에 딱 들어맞는 전문화된 하드웨어에 의해서만 구현될 수 있다. 실제로 이미 Vector의 VN5610 Ethernet/CAN 인터페이스가 CANoe.IP 개발 툴과 함께 쓰이고 있다. 현재 일부 자동차 OEM 및 공급업체는 이러한 방법을 사용 중이다.



전망
다음 5년 내지 10년 동안, 이기종 네트워크 구조는 차량 내에 확립된 버스 시스템의 클러스터로 계속 사용될 것이다. 카메라 애플리케이션 이후, 이더넷은 다른 시스템 도메인에도 사용될 것이며, 버스 시스템을 교체할 것으로 예상된다. 또한, 이더넷 및 IP 기술은 백본으로 사용된 후 다른 자동차 응용 분야에도 침투할 것이다.
차량 네트워크 개발자에게 모든 데이터 패킷에 대한 다중 버스의 성능, 통신 버스 시뮬레이션 및 낮은 레벨에서의 타임스탬프의 중요성은 더욱 커질 것이다. 이더넷 및 IP 분야에서 Vector는 모든 IP 프로토콜 계층(그림 1)에 걸친 신호 표현을 지원하고 AVB 및 SOME/IP와 같은 프로토콜을 통해 실시간 서비스 관련 통신을 포괄적으로 점검해 다음 개발 단계를 이끌어 갈 것이다.  AE

AEM_Automotive Electronics Magazine